Una nuova era dell'esplorazione spaziale dietro i motori a razzo a fusione

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

La NASA ed Elon Musk sognano Marte e le missioni con equipaggio nello spazio profondo diventeranno presto realtà. Probabilmente rimarrai sorpreso, ma i razzi moderni volano un po' più veloci dei razzi del passato.

Le astronavi veloci sono più convenienti per una serie di motivi e il modo migliore per accelerare è attraverso i razzi a propulsione nucleare. Hanno molti vantaggi rispetto ai razzi a carburante convenzionale o ai moderni razzi elettrici a energia solare, ma negli ultimi 40 anni gli Stati Uniti hanno lanciato solo otto razzi a propulsione nucleare.

Tuttavia, nell'ultimo anno, le leggi relative ai viaggi spaziali nucleari sono cambiate e il lavoro sulla prossima generazione di razzi è già iniziato.

Perché è necessaria la velocità?

Nella prima fase di qualsiasi volo nello spazio, è necessario un veicolo di lancio: porta la nave in orbita. Questi grandi motori funzionano con combustibili e di solito quando si tratta di lanciare razzi, sono fatti apposta. Non andranno da nessuna parte presto, così come la forza di gravità.

Ma quando la nave entra nello spazio, le cose si fanno più interessanti. Per superare la gravità della Terra e andare nello spazio profondo, la nave ha bisogno di un'accelerazione aggiuntiva. È qui che entrano in gioco i sistemi nucleari. Se gli astronauti vogliono esplorare qualcosa oltre la Luna o ancor di più Marte, dovranno sbrigarsi. Il cosmo è enorme e le distanze sono piuttosto grandi.

Ci sono due ragioni per cui i razzi veloci sono più adatti per i viaggi spaziali a lunga distanza: sicurezza e tempo.

Sulla strada per Marte, gli astronauti affrontano livelli molto elevati di radiazioni, carichi di gravi problemi di salute, tra cui cancro e infertilità. La schermatura contro le radiazioni può aiutare, ma è estremamente pesante e più lunga è la missione, più sarà necessaria una protezione potente. Pertanto, il modo migliore per ridurre la dose di radiazioni è semplicemente arrivare a destinazione più velocemente.

Ma la sicurezza dell'equipaggio non è l'unico vantaggio. Più voli distanti pianifichiamo, prima avremo bisogno di dati da missioni senza equipaggio. La Voyager 2 ha impiegato 12 anni per raggiungere Nettuno e mentre volava ha scattato delle foto incredibili. Se la Voyager avesse un motore più potente, queste fotografie e questi dati sarebbero apparsi agli astronomi molto prima.

Quindi la velocità è un vantaggio. Ma perché i sistemi nucleari sono più veloci?

I sistemi di oggi

Superata la forza di gravità, la nave deve considerare tre aspetti importanti.

Spinta- quale accelerazione riceverà la nave.

Efficienza del peso- quanta spinta può produrre il sistema per una data quantità di carburante.

Consumo energetico specifico- quanta energia sprigiona una data quantità di carburante.

Oggi, i motori chimici più comuni sono i razzi convenzionali alimentati a carburante e i razzi elettrici a energia solare.

I sistemi di propulsione chimica forniscono molta spinta, ma non sono particolarmente efficienti e il carburante per razzi non richiede molta energia. Il razzo Saturn 5 che ha portato gli astronauti sulla luna ha erogato 35 milioni di newton di forza al decollo e trasportato 950.000 galloni (4.318.787 litri) di carburante. La maggior parte è stata utilizzata per portare il razzo in orbita, quindi i limiti sono ovvi: ovunque tu vada, hai bisogno di molto carburante pesante.

I sistemi di propulsione elettrica generano spinta utilizzando l'elettricità dai pannelli solari. Il modo più comune per ottenere ciò è utilizzare un campo elettrico per accelerare gli ioni, ad esempio, come in un propulsore a induzione Hall. Questi dispositivi sono utilizzati per alimentare i satelliti e la loro efficienza in termini di peso è cinque volte superiore a quella dei sistemi chimici. Ma allo stesso tempo emettono molta meno spinta - circa 3 newton. Questo è solo sufficiente per accelerare l'auto da 0 a 100 chilometri all'ora in circa due ore e mezza. Il sole è essenzialmente una fonte di energia senza fondo, ma più la nave si allontana da esso, meno è utile.

Uno dei motivi per cui i missili nucleari sono particolarmente promettenti è la loro incredibile intensità energetica. Il combustibile di uranio utilizzato nei reattori nucleari ha un contenuto energetico 4 milioni di volte quello dell'idrazina, un tipico combustibile chimico per missili. Ed è molto più facile portare dell'uranio nello spazio che centinaia di migliaia di galloni di carburante.

E per quanto riguarda la trazione e l'efficienza del peso?

Due opzioni nucleari

Per i viaggi nello spazio, gli ingegneri hanno sviluppato due tipi principali di sistemi nucleari.

Il primo è un motore termonucleare. Questi sistemi sono molto potenti e altamente efficienti. Usano un piccolo reattore a fissione nucleare - come quelli sui sottomarini nucleari - per riscaldare un gas (come l'idrogeno). Questo gas viene quindi accelerato attraverso l'ugello del razzo per fornire spinta. Gli ingegneri della NASA hanno calcolato che un viaggio su Marte con un motore termonucleare sarà del 20-25% più veloce di un razzo con un motore chimico.

I motori a fusione sono più del doppio più efficienti di quelli chimici. Ciò significa che forniscono il doppio della spinta per la stessa quantità di carburante - fino a 100.000 Newton di spinta. Questo è sufficiente per accelerare l'auto a una velocità di 100 chilometri all'ora in circa un quarto di secondo.

Il secondo sistema è un motore a razzo elettrico nucleare (NEPE). Nessuno di questi è stato ancora creato, ma l'idea è quella di utilizzare un potente reattore a fissione per generare elettricità, che poi alimenterà un sistema di propulsione elettrica come un motore di Hall. Sarebbe molto efficace, circa tre volte più efficiente di un motore a fusione. Poiché la potenza di un reattore nucleare è enorme, diversi motori elettrici separati possono funzionare contemporaneamente e la spinta risulterà solida.

I motori a razzo nucleari sono forse la scelta migliore per missioni a lunghissima gittata: non richiedono energia solare, sono molto efficienti e forniscono una spinta relativamente elevata. Ma nonostante la loro natura promettente, il sistema di propulsione nucleare ha ancora molti problemi tecnici che dovranno essere risolti prima di essere messo in funzione.

Perché non ci sono ancora missili a propulsione nucleare?

I motori termonucleari sono stati studiati dagli anni '60, ma non sono ancora volati nello spazio.

Secondo lo statuto degli anni '70, ogni progetto spaziale nucleare era considerato separatamente e non poteva andare oltre senza l'approvazione di un certo numero di agenzie governative e del presidente stesso. Insieme alla mancanza di fondi per la ricerca sui sistemi missilistici nucleari, ciò ha ostacolato l'ulteriore sviluppo di reattori nucleari da utilizzare nello spazio.

Ma tutto è cambiato nell'agosto 2019, quando l'amministrazione Trump ha emesso un memorandum presidenziale. Pur insistendo sulla massima sicurezza dei lanci nucleari, la nuova direttiva consente ancora missioni nucleari con basse quantità di materiale radioattivo senza complicate approvazioni interagenziali. È sufficiente la conferma da parte di un'agenzia sponsorizzatrice come la NASA che la missione è conforme alle raccomandazioni di sicurezza. Le grandi missioni nucleari seguono le stesse procedure di prima.

Insieme a questa revisione delle regole, la NASA ha ricevuto $ 100 milioni dal budget 2019 per lo sviluppo di motori termonucleari. La Defense Advanced Research Projects Agency sta anche sviluppando un motore spaziale termonucleare per operazioni di sicurezza nazionale oltre l'orbita terrestre.

Dopo 60 anni di stagnazione, è possibile che un razzo nucleare vada nello spazio entro un decennio. Questo incredibile risultato introdurrà una nuova era di esplorazione dello spazio. L'uomo andrà su Marte e gli esperimenti scientifici porteranno a nuove scoperte in tutto il sistema solare e oltre.